Archiv der Kategorie: Wissenschaft

In der Wissenschaft wird fleißig gearbeitet und geforscht, jedoch braucht es ab und an auch einen klugen Gedanken. Denn wenn alle Berechnungen versagen ist dies nicht Zufall, sondern Unwissen.

Bernd Sternal

Das künstliche Blatt – eine reale Vision?

In Sachen Energiegewinnung können wir Menschen von der Natur viel lernen. Ein prägnantes Beispiel ist die Photosynthese: Zwar ist diese sehr uneffizient, denn sie setzt maximal ein Prozent der Sonnenenergie in gespeicherte Energie um. Das jedoch machen die Pflanzen auf einfachste Art und Weise und mit unnachahmlicher Umweltverträglichkeit. In zwei Halbreaktion spalten die Pflanzen Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff. Um diese Reaktionen zu beschleunigen verwenden sie Katalysatoren. Die beiden Halbreaktionen laufen separiert durch eine Membran ab, die den Wasserstoff und den Sauerstoff zwar trennt, Ionen jedoch passieren lässt. Durch diesen Kunstgriff der Natur wird verhindert, dass der leichtbrennbare Wasserstoff bei Anwesenheit von Sauerstoff spontan verbrennt.

Plagiomnium affine, Laminazellen, Rostock, Urheber: Kristian Peters -- Fabelfroh, 2006
Photosynthese – Plagiomnium affine, Laminazellen, Rostock, Foto- Wikipedia Urheber: Kristian Peters – Fabelfroh, 2006

Klingt eigentlich recht unspektakulär, ist es aber dennoch nicht. Seit vielen Jahren stehen zahlreiche Forscher weltweit im Wettstreit um das sogenannte künstliche Blatt. Bisher ergebnislos, jedoch zeichnen sich deutliche Fortschritte ab.
Zwei der weltweit führenden Protagonisten in diesem Forscherwettstreit sind Nathan Lewis und Daniel Nocera. Lewis ist Professor am California Institut of Technologie und Leiter der Forschungsgruppe Joint Center of Artificial Photosynthesis. Prägnant und provokant zugleich ist seine Aussage zur Photovoltaik: „Kein Speicher? Kein Strom nach 16 Uhr.“
Das von den USA finanzierte Forschungsprojekt hat ein Ziel: das künstliche Blatt. Und dieses soll die effektivsten Pflanzen übertreffen.
Prinzipiell muss das künstliche Blatt prozessmäßig sich an das natürliche anlehnen. Bionik nennt sich dieser Wissenschaftszweig. Dennoch kann man die Natur natürlich nicht nachahmen, sondern nur ihr Funktionsprinzip erkennen und technologisch eine vergleichbares entwickeln. Geforscht wird mit PEC – Photoelektrochemische Zellen -, die das Wirkprinzip des Blattes gewissermaßen zu kopieren versuchen. Dazu werden Photoelektroden, die in Wasser getaucht werden, eingesetzt. Welches Licht des Sonnenspektrums dabei genutzt wird ist noch nicht endgültig geklärt. Für die Anode, die Sauerstoff erzeugen soll, wird bläuliches Licht favorisiert, für die Wasserstoff-Kathode eher rötliches Licht.
Damit eine neue Technologie sich verbreiten kann, muss sie mehrere Eigenschaften erfüllen: preisgünstig, effizient, sicher und zudem langlebig. Auch ist auszuschließen, dass dieses „Künstliche Blatt“ auch nur entfernt Ähnlichkeit mit einem Natur-Blatt haben wird; es wird nur dessen elektrochemischen Prozesse zur Energiegewinnung aus Wasser zu reproduzieren versuchen. Als vergleich kann man das Flugzeug heranziehen, das sich wohl als eines der ersten Technikobjekte an dem Flug der Vögel orientierte, optisch – ohne Federn – jedoch kaum noch mit einem Vogel vergleichbar ist.Reiseführer kostenlos anfordern

Die Probleme bei diesen Prozessen sind die einsetzbaren Materialien, welche die geforderten Eigenschaften erfüllen können. Tausende davon sind heute bekannt, doch welche sind geeignet und dazu preisgünstig, effizient, sicher und langlebig? Computer sind dabei sehr hilfreich, dennoch müssen die so ermittelten Materialien und Verbindungen getestet werden. Und letztlich gehört auch zur Wissenschaft nicht nur umfangreiches Wissen und viel Fleiß, sondern auch eine Portion Glück – eben das Glück des Tüchtigen. Die Forschergruppe von Professor Lewis hatte diesen glücklichen Moment – zumindest teilweise. Bei ihren Forschungen und Experimenten stießen sie auf einen preiswerten Katalysator, der in der Erdölindustrie Schwefel aus den Produkten entfernt und zudem sehr geeignet ist, auch die Wasserstofferzeugung zu beschleunigen. Jedoch gibt es bisher wohl noch einen Wermutstropfen: der Katalysator für die Sauerstofferzeugung wird noch gesucht. Was für Lewis dennoch nicht ganz so tragisch ist, denn sein Schwerpunkt liegt in der Herstellung von Wasserstoff als Energieträger sowie in der Nutzung von Kohlendioxiden, die zu Kohlenwasserstoffen umgewandelt werden sollen.
Nathan Lewis hat einen großen Konkurrenten: Daniel Nocera. Er lehrt auch in den USA, und zwar in Harvard an der Ostküste, verfolgt jedoch einen ganz anderen Lösungsansatz. Nocera setzt nicht wie sein Forscherkollege auf die Produktion von Wasserstoff, sondern will diesen Schritt – hin zu Kohlenwasserstoffen – überspringen. Diese sollen konventionelle Erdölprodukte vollständig ersetzen. Nocera nutzt dabei die zuvor gesammelten Erfahrungen bei der Einführung neuer Technologien und den Verharrungswiderstand der Gesellschaft dagegen. Für Kohlenwasserstoffe könnte die gesamte weltweit vorhandene Erdölinfrastruktur weiterhin genutzt werden – sicherlich ein unschätzbarer Vorteil.




Jedoch ist die Erzeugung selbst einfachster Kohlenwasserstoffe unglaublich komplexer, als die von Wasserstoff und Sauerstoff aus Wasser und auch die ist bisher nur im Laborbetrieb gelungen. Dennoch konnte Prof. Nocera in den letzten Jahren einige außergewöhnliche Erfolge erzielen. Er baute ein Gerät mit einem anorganischen Katalysator, das zunächst Wasserstoff aus Wasser erzeugte. Diesem wurde dann zudem Kohlendioxid zugeführt und mittels gentechnisch veränderter Bakterien wurden aus dem Stoffgemisch flüssige Brennstoffe produziert: Alles jedoch nur unter Laborbedingungen. Die Bakterien vertrugen sich allerdings nicht mit Katalysator, aber irgendwas ist ja immer.
Also wurde nach einem neuen Katalysator gesucht, der sich mit den fleißigen Bakterien vertrug, und er wurde gefunden. Laut Nocera können die Bakterien, in Verbindung mit dem neuen Kobalt-Phosphor-Katalysator, verschiedene Kohlenwasserstoffe produzieren. 2017 setze er mit seinem Team noch einen drauf, in dem er demonstrierte, dass sein technologischer Ansatz auch in der Lage sei, aus dem Stickstoff der Atmosphäre Ammoniak herzustellen. Gelänge das industriell, so würden riesige Mengen an Energie zur Herstellung von Stickstoff-Düngemittel eingespart.
Interessante Aussichten: Dennoch bleibt die Frage, ob gentechnisch veränderte Bakterien die Lösung energetischer Probleme darstellen können, zumal diese sehr fragil sind. Da scheint zunächst die Gewinnung von Wasserstoff und Sauerstoff aus Wasser erfolgversprechender. Doch wer vermag technologische Entwicklungen schon vorauszusehen?

Ski-WM 2019 – eine Medaille für Schweden

Die Ski-WM 2019 im schwedischen Åre ist vorbei. Leider sind es die Diskussionen über den Klimawandel noch nicht. Die Auswirkungen sind überall spürbar, das Wetter wird extremer. Auch Åre hatte darunter zu leiden und konnte teilweise nur mit großem Aufwand und grenzwertigen Entscheidungen die angesetzten Rennen durchführen.

Klimawandel und Ski-WM 2019

Eines ist klar, ohne Schnee kann es kein alpines Skifahren geben. Vor jeder alpinen Ski-WM zittern die Organisatoren, ob der Schnee ausreichen wird, um alle Rennen nach Plan durchzuführen. Nach der Ski-WM sind alle schlauer – so auch in diesem Jahr. Der Austragungsort der Ski-WM, das schwedische Åre, war vom anderen Extrem betroffen. Es gab zu viel Schnee und stürmische Böen – auch nicht ideal für eine eng getaktete Veranstaltung. Das Klima wandelt sich, das ist allerorts spürbar. Woher es genau kommt, was die wirklichen Ursachen für den Klimawandel sind, können wir nur vermuten. Fakt ist, die Gletscher ziehen sich immer mehr zurück. Allein diese Entwicklung bedroht weltweit einige Skigebiete. Es ist nicht so einfach, die Ursachen kurzfristig zu bekämpfen. Also konzentrieren sich die Skigebiete darauf, die Symptome zu mildern und greifen zu technischen Hilfsmitteln. Schneekanonen sollen es richten und die weiße Pracht auf die Skihänge zaubern. Das geht jedoch nicht, ohne Verschwendung von Wasser und Energie. Sollte zu viel Schnee fallen, müssen Planierraupen verstärkt ausfahren und Pisten planieren. Pistenraupen werden allerdings mit Diesel betrieben, was der Umwelt eher schadet als nützt.

Ski und Klimawandel

Wie erhält das grüne Schweden seine weiße Pracht?

Der Klimawandel macht vor Grenzen nicht halt. Und so bleibt auch Skandinavien von den Auswirkungen nicht verschont. Allerdings hat Schweden die Zeichen der Zeit früher erkannt als seine europäischen Nachbarn. Und so ist Nachhaltigkeit kein Fremdwort, sondern mit Leben gefüllt. Das ist auch in Åre zu sehen. Hier gibt es Tourismus nicht auf Kosten der Natur, sondern mit ihr. Wälder werden nicht abgeholzt, sondern geschützt. Die Natur wird bewahrt, nicht ausgebeutet. Eine Einstellung, die sicherlich anderen EU-Staaten gut zu Gesicht stünde. Elektromobilität wird nicht halbherzig, sondern konsequent gefördert. Die Nutzung öffentlicher Verkehrsmittel ist eine Einstellungssache und keine Prestige-Frage. Die Natur zu schützen ist eine Herzensangelegenheit und kein politisches Ziel.

Silber für Schweden im Slalom – Gold in der Nachhaltigkeit

Die Medaillen sind verteilt, die Ski-WM in Schweden ist Geschichte. Leider keine rühmliche für die deutschen Athleten. Der große Favorit, Marcel Hirscher, triumphierte. Felix Neureuther wurde disqualifiziert. Ein unrühmliches Ende für den besten deutschen Ski-Rennläufer. Wer also auf die deutschen Außenseiter gewettet hat, ging leer aus. Bei den Damen gewann die US-Amerikanerin Mikaela Shiffrin Gold trotz Lungenentzündung. Silber holte sich die Schwedin Anna Swenn-Larsson und damit doch noch einen Titel für Ausrichter Schweden.

Alles vorbei oder bleibt etwas von der Ski-WM 2019?

Der Organisationschef der Alpinen Ski-WM 2019 in Åre ist zufrieden, auch wenn die Wetterbedingungen schwierig und die Athleten unzufrieden waren. Der Alpin-Direktor des Deutschen Sportverbands hingegen sieht Potenzial. Zwar gab es nur eine Silbermedaille, aber in den anderen Disziplinen waren die Athleten nah dran und auf jeden Fall unter den Besten der Welt. Bleibt zu hoffen, dass nicht nur der DSV Perspektiven für seine Ski-Rennläufer sieht, sondern alle Länder Potenzial in der Nachhaltigkeit sehen. Die Schweden leben es vor und alle anderen sollten ebenfalls danach streben, in puncto Nachhaltigkeit zu den Besten der Welt zu gehören.

Stickstoff – Pflanzen könnten sich selbst versorgen

Das chemische Element Stickstoff trägt die Ordnungszahl 7 im Periodensystem der Elemente, ist ein farbloses Gas und ist mit einem Prozentsatz von 78 in unserer Atemluft enthalten.
Die deutsche Bezeichnung Stickstoff ist darauf zurückzuführen, das molekularer, gasförmiger Stickstoff Sauerstoff verdrängt, wodurch Feuer erstickt wird, und dass zudem Lebewesen in dem reinen Gas ersticken, weil Sauerstoff fehlt.
Im Laufe der Evolution hat sich ein Stickstoffkreislauf der Ökosysteme ausgebildet: Als Bestandteil von Proteinen und vielen anderen Naturstoffen ist Stickstoff essentiell für Lebewesen, die ihn in einem energieintensiven Prozess (Stickstofffixierung) organisch binden und bioverfügbar machen. Dies geschieht zum Beispiel enzymatisch an einem Eisen-Schwefel-Cluster, welcher ein Kofaktor des Enzyms Nitrogenase ist.
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Stickstoff und seine Verbindungen, insbesondere Ammoniak und Ammoniumnitrat, sind somit auch für den Pflanzenwachstum elementar. In gebundener Form kommt Stickstoff in unseren Böden vor und bei geschlossen Ökosystemen wie Urwäldern funktioniert dessen Kreislauf problemlos. Wenn Pflanzen sterben, bilden sich aus ihren Resten neue Stickstoffverbindungen im Boden.
Nicht so auf unseren Kulturböden, wo die Masse der Pflanzenbestandteile abgeerntet wird. Der Kreislauf wird dadurch unterbrochen und führt zu einem Stickstoffmangel in den Feldern. Die Landwirte wirken dem entgegen, indem sie Stickstoff-Dünger auf die Böden geben. Jedoch ist eine genaue Dosierung, die dem natürlichen Kreislauf entsprechen würde, sehr schwer. So kommt es, dass laut Umweltbundesamt jährlich 97 kg überschüssiges Stickstoff-Nitrat pro Hektar auf deutsche Felder aufgebracht wird. Eine Menge, die in unser Grundwasser und in unsere Flüsse und Seen gelangt, diese überdüngt und damit stark schädigt. Die ökologischen Kreisläufe kommen aus dem Gleichgewicht und ein Ende ist nicht abzusehen. Zumal sich das Problem nicht auf Deutschland beschränkt, sondern weltweit zu erheblichen Umweltproblemen – auch in den Meeren und Ozeanen sowie beim Trinkwasser – führt.
Wenn also in Zukunft bei stark wachsender Weltbevölkerung die Ernährung aller Menschen gesichert sein soll und wir unsere Gewässer sowie das Grundwasser nicht weiter schädigen wollen, so müssen neue Lösungen gefunden werden.
Dazu forschen Biologen, Chemiker und Ingenieure aus aller Welt. Bekannt sind seit über hundert Jahren Bakterien, die in Symbiose mit Pflanzen leben und sogenannte Stickstoff-Fixierer sind. Zu ihnen gehören „Frankia alni“ sowie „Rhizobien“. Frankia alni lebt bei uns zum Beispiel in Symbiose mit der Schwarzerle und Rhizobien mit Hülsenfrüchten. Diese Bakterien besitzen die Fähigkeit, elementaren, molekularen Stickstoff (N2) zu binden, indem sie ihn zu Ammoniak (NH3) bzw. Ammonium (NH4+) reduzieren und damit biologisch verfügbar machen.
Die Forscher nehmen sich besonders die Hülsenfrüchte – auch Leguminosen genannt – zum Vorbild. Lange Zeit wurde vermutet, dass im Zusammenwirken mit den Bakterien besondere Pflanzen-Gene für die Stickstoff-Fixierung erforderlich sind. Dann erkannte man jedoch, dass dies nicht der Fall ist: Die meisten anderen Nutzpflanzen verfügen über die Grundlagen zu diesem Prozess, nutzen ihn nur nicht.
Die Wissenschaft ist nun in einem Wettlauf diesen Stickstoff-Speicherprozess auch in Pflanzen zu aktivieren, die botanisch nicht zu den Hülsenfrüchten gehören. Insbesondere wird hierbei das Augenmerk auf Getreidearten und Reis gelegt, aber auch sogenannte Zwischenfrüchte sind dabei von Interesse, die dann untergepflügt werden, um den Stickstoffgehalt im Boden zu erhöhen.

Nitrogen Cycle Author: Johann Dréo (User:Nojhan) Date: march, 30, 2006
Nitrogen Cycle Author: Johann Dréo (User:Nojhan) Date: march, 30, 2006 (Wikipedia)

In der Forschung greift man dabei auf zwei verschiedene Methoden zurück: die klassische Pflanzenzüchtung und auch die Gentechnik.
Andere Forschergruppen gehen wieder andere Wege, so das Bostoner Unternehmen Ginkgo Bioworks zusammen mit der deutschen Bayer AG. Dort wird versucht die stickstoffspeichernden Knöllchenbakterien zur Zusammenarbeit mit anderen Nutzpflanzen als den Hülsenfrüchten zu bewegen. So soll der benötigte Stickstoff im Boden direkt von den Pflanzen selbst produziert werden.
Derzeit ist das von den beiden Firmen gegründete Unternehmen Joyn Bio mit Sitz in Boston und Sacramento, das auf das gesamte Knowhow der Bayer AG zurückgreifen kann, dabei, entsprechende Bakterien auf ihre Einsatzfähigkeit hin zu testen und die Mikroben gentechnisch zu behandeln.
Doch schon regt sich zu diesem Projekt Widerspruch: Es bestehen Bedenken, dass gentechnisch modifizierte Bakterien, die in der Umwelt verbreitet werden, nicht mehr kontrollierbar sein könnten.
Dennoch könnten Bakterien eine Möglichkeit darstellen, umweltfreundlicher als bisher Düngemittel herzustellen. Um den derzeitigen Stickstoffdünger zu produzieren, wird viel Energie und eine gewaltige Mange fossiler Rohstoffe benötigt: 0,6 kg Erdgas zur Herstellung von 1 kg Stickstoffdünger.
Erfolgversprechend für dieses Projekt erscheint insbesondere das stickstofffixierende Bakterium Xanthobacter autotrophicus. Harvard-Forschern gelang mit ihm die Herstellung von Stickstoff und Phosphor. Für die Synthese nutzen die Forscher künstliche Blätter, die aus Sonnenlicht Wasserstoff produzierte. Das Bakterium konsumierte den Wasserstoff und nutzte zudem den in der Luft enthaltenen Stickstoff.




Auf diese Art könnte durch natürliche Synthese Düngemittel hergestellt werden. Die gelbe, bakteriensatte Flüssigkeit, die dabei entstand, wurde bereits an Nutzpflanzen getestet. In diesem Wachstumsexperiment mit Radieschen bildeten die so gedüngten Pflanzen doppelt so große Knollen wie die ungedüngten.
Sollte diese Natursynthese großtechnisch anwendbar werden, so ist das zwar keine Lösung für die Überdüngung unserer Böden, jedoch würden damit große Mengen an Energie und fossiler Rohstoffe eingespart. Zudem sieht man darin einen Lösungsansatz für die Landwirtschaft in den Entwicklungsländern.